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选矸机器人高速并联机构
伺服驱动选型研究
服务选煤行业 推动技术进步
题目
选矸机器人高速并联机构伺服驱动选型研究
基金项目
河北省创新能力提升计划项目（225676144H）；
河北省重大科技成果转化专项（23261801Z）
作者
李振坤，男，河北唐山人，讲师，博士，从事机械设计制造及自动化教学与科研工作。
E-mail：zhkli@bjtu.edu.cn
Tel：15201463447。
单位
北京交通大学 机电控制工程学院，北京 100044
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摘要
为了实现煤矸的高效分选，基于选矸机器人结构及工作原理，在建立并联机构位移、速度、加速度、转矩、等效转动惯量数学模型和选矸运动轨迹规划的基础上，提出了一种用于煤矸分选的三自由度串并混联机器人的伺服电机选型方法：计算分析了选矸过程中机器人主动关节速度、转矩、等效转动惯量和功率的变化分布；针对速度、转矩、等效转动惯量随机构位形改变连续变化的问题，提出根据最大瞬时功率初步选取伺服电机，然后参考关节最大转速和电机允许最大转速选取减速器减速比，结合电机转矩特性曲线进行功能校验的伺服电机选型方法；指出在设计过程中应尽量选取大速比减速器，以减小电机负载惯量比，降低惯量波动干扰，提高系统控制响应速度和运行稳定性。测试和应用结果表明：设计开发的选矸机器人作业周期为 1s，横向选矸推力达 25 kg。该机器人发挥并联机构可实现高速、高刚度的结构特性，结合串联机构工作空间大、结构简单的优势，适于高效煤矸分选，且已成功应用于多条选煤生产线的中、大块矸石分选，长期连续工作运行稳定。研究为机器人伺服驱动系统设计提供了有益的参考。
引言
煤矸分选是煤炭加工过程中的一个重要环节。选煤装备自动化、信息化和智能化是安全高效绿色现代化煤矿的发展方向。随着我国煤炭生产现代化、智能化发展要求，智能选煤设备得到了大力发展，如以高压风为动力的 TDS 智能干选机以其系统简单、效率高、稳定可靠等优势已在国内多个煤矿应用，但其在大体积、大质量矸石分拣环境和煤矸密集分布的情况下具有一定的局限性。以机器人为主体配合末端机械手的选矸机器人更适合大块矸石的快速分拣。
与桁架式、关节型等串联机器人相比，并联机器人刚度大、惯性小，容易实现高速运动。商德勇等提出将 Delta型并联机器人应用于煤矸分选，实现了实验室环境下的煤矸快速识别与分拣。中煤科工集团上海有限公司设计的双臂并联的SCARA型矸石分拣机器人在试验平台上针对粒度为300～600mm 的矸石进行推动分拣，完成单次分拣动作只需1.2s；在选煤现场对粒度在50～800mm之间的矸石进行分拣，分拣速度低于1.5块/s，最大拣矸质量达100kg。伺服电机为机器人的重要核心部件，直接影响着机器人的工作能力、工作效率、能耗、成本和稳定性。由于伺服电机大多工作于PI 控制模式，其控制参数的确定与其等效负载惯量有着联系密切，机器人关节负载惯量随机器人位置的改变而变化，在机器人关节高速且变速运动时若惯量不匹配可能导致机器人运动不稳定，严重时会导致机器人失控。胡宪委提出使用伺服电机转矩转速特性曲线图选出适用的小功率电机的方法；康国坡等通过建立机器人关节电机峰值预估模型计算关节峰值扭矩，再以峰值扭矩为依据进行六自由度机器人电机选择。针对现有选矸机器人的局限性，综合并联机构高速、高刚度和串联机构工作空间大、结构简单的优势，设计了一种串并混联的三自由度选矸机器人机构，且结合该选矸机器人的高速并联机构设计，对合理匹配机器人伺服电机及减速器等驱动部件进行了研究，以实现煤矸高效分选。
引用格式
李振坤，黄金凤，李奇松. 选矸机器人高速并联机构伺服驱动选型研究[J]. 选煤技术，2024，52（1）：73−78.
LI Zhenkun, HUANG Jinfeng, LI Qisong. Study on selection of the servo drive motor for gangue sorting robot′s high-speed parallel mechanism[J].Coal Preparation Technology，2024，52（1）：73−78.
数字编辑：冯建楠
审 核：赵宏馨
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